DNA的生物合成

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第2章：DNA的生物合成（6学时）
生物体的遗传信息储存在DNA中，并通过DNA的复制由亲代传给子代。在子代的生长发育中遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成蛋白质以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。
从本节进入遗传信息传递的“中心法则”的学习，这部分是分子生物学的核心部分，将为学习基因工程等现代生物技术课程奠定基础，要求学生要牢固掌握基本概念和机理，并对最新的研究成果有所了解。
授课教师：马雪梅 助课教师：冯娟
教学目的 生物信息传递——DNA复制的机制掌握半保留复制和半不连续复制的原理。掌握复制子的性质。掌握原核生物DNA复制过程中涉及的各类物质及DNA复制的机理。掌握DNA复制的真实性如何保证。了解真核生物复制的过程。掌握滚环复制和D环复制的原理。掌握PCR技术的原理。
教学难点 半不连续复制聚合酶催化的双向复制过程。拓扑异构酶的作用机理。真核生物DNA的端粒和端粒酶PCR技术的原理。
知识重点 DNA复制的机理PCR技术的原理
时间分配 概述-DNA复制的基本特征 （1学时）生物DNA复制的机制（3学时）体外DNA复制—PCR技术（2学时）
教学过程 教学方法和手段
章节引入 1. 问题引出从生命的特征是“活的”，生命现象最本质的内容就是自复制（自我繁殖和自我组织），引出三个问题，引起学生对本章重点内容的关注：子代为什么能真实获得亲代DNA的遗传信息？复制是怎样进行的？如何应用复制原理进行体外基因操作-基因工程？提问：中心法则知识复习：中心法则（central dogma）1958年，F.Crick提出中心法则，揭示了生物体内遗传信息的传递方向。复制：以亲代DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。转录：以某一段DNA分子为模板，合成出与其序列对应的RNA分子的过程。翻译：以mRNA为模板，根据三联密码规则，合成对应蛋白质的过程。中心法则的补充：逆转录，RNA复制 板书：Central dogmaReplicationReverse TranscriptionTranscriptionTranslation
2. DNA生物合成有两种方式：DNA复制和反转录DNA体内复制：原核、真核生物的染色体、细菌质粒（环状，双链）、真核细胞器DNA（线粒体、叶绿体）、病毒（双链，环状）。DNA的体外复制：分子克隆（PCR）。
3. 生物体内DNA的合成包括三个方面:以DNA作为模板指导的DNA合成称为复制，即将DNA携带的信息传至子代DNA。DNA合成也可以RNA为模扳指导合成，通常将其称作反转录作用,见于RNA病毒。当各种因素引起DNA损伤时，损伤DNA可进行修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持DNA结构的稳定性和遗传信息的准确性。 板书：合成： 体内：复制，反转录，修复体外：克隆（PCR）
教学目的 一、概述——DNA复制的基本特征掌握半保留复制和半不连续复制的原理。掌握复制子的性质。
教学难点 半不连续复制
知识重点 半不连续复制和半保留复制
时间分配 概述-DNA复制的基本特征 （1学时）
教学过程 教学方法和手段
一、概述——DNA复制的基本特征 引言由Noah’s Ark图引出DNA复制的概念复制（replication）：亲代DNA或RNA在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。本节主要内容 semi-conservative replication mechanism (DNA的半保留复制)Replicons(复制子) semi-discontinous replication（半不连续复制）DNA Replication & Cell Cycle（复制和细胞周期） 板书：replication overview
1. DNA的半保留复制 1. Semi-conservative replication mechanism953年，Watson & Crick在Nature发表论文提出的DNA双螺旋复制模型。提问：复习DNA双螺旋结构模型1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制，但缺乏实验证据。“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.”（Watson & Crick,Nature,1953） 板书：Semi-conservative replication
重点：DNA半保留复制的主要内容和意义 1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli. DNA，证明了DNA的复制是半保留复制。介绍Meselson & Stahl实验:密度梯度离心的原理15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度
DNA半保留复制内容：在DNA复制过程中，两条螺旋的多核苷酸链之间的氢键断裂，然后以每条链各作为模板合成新的互补链。这样新形成的两个子代DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫DNA的半保留复制。 板书：Meselson & Stahl实验:15N-DNA,14N-DNA
DNA的半保留复制的生物学意义： DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。（DNA在代谢上的稳定性并非指DNA是一种惰性物质。）
2.复制单位、起点、和方向 DNA的复制是在起始阶段进行控制的，一旦复制起始，它就会继续下去直到整个复制子完成复制。1）复制单位(复制子，replicon)：基因组中能独立进行复制的单位。Replicon is any piece of DNA which replicates as a single unit. It contains an origin and sometimes a terminus表：原核生物和真核生物复制的比较原核生物：每个DNA分子上就有一个复制子。病毒DNA多种多样，环状或线形，双链或单链，但都是单复制子。Prokaryotic genome（原核生物）：: a single circular DNA = a single replicon真核生物：每个DNA分子有许多个复制子，每个复制子长约50-200kb。因此，真核细胞DNA的复制是由许多个复制子共同完成的。 Eukaryotic genome（真核生物）: multiple linear chromosomes & multiple replicons on each chromosome 原核生物和真核生物复制的比较板书：Replicon
动画：原核和真核生物DNA复制子比较（英文） Flash:replicon
2）复制起点（Origin）：复制起点是以一条链为模板起始DNA合成的一段序列。Origin is the DNA sequence where a replicon initiates its replication. 板书：Origin（OriC）13bp AT rich9bp palindrome
重点：复制起点的结构特点。 复制起点的特点：起始序列含有一系列对称的反向重复和某些短的成簇的保守序列。13bp重复序列中富含腺嘌呤及胸腺嘌呤，其中A的甲基化作用对于复制起始的控制有着重要作用。9bp重复序列为反转重复序列（即回文结构，palindrome），它们是引发复制的DnaA与oriC的结合部位，表明区域与复制酶系统的识别有关 。在E.coli染色体DNA序列中，位于oriC左侧还有较多的AT，有促进双链打开、发挥单链模板的作用。在“DNA复制机制-复制起始”时介绍复制起点与起始蛋白相互作用的细节。知识扩展：介绍palindrome结构特点复制起点的克隆和功能分析大肠杆菌的复制起点oriC区1Kb的重组质粒在转化子中的复制行为与其染色体一样，受到严密控制，每个细胞只有1-2个拷贝，用核酸外切酶缩短oriC克隆片段的大小，最后得到245bp的基本功能区，携带它的质粒依然能够自我复制，拷贝数可以增加到20以上，这说明发动复制的序列在245bp的基本功能区，而决定拷贝数的序列在基本功能区之外和1Kb之间。克隆分析沙门氏杆菌(Salmonellatypbimurinm)，产气肠杆菌(Erterobacteraerogers)，肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumnonia)等许多细菌的ori区，发现它们在结构上相似，在核苷酸序列上有相当的保守性，而且在分类关系上愈是接近的细菌之间其同源性愈高，这些反映了DNA复制起点的重要性。
3）复制终点(Terminus) is the DNA sequence where α replicon usually stops its replication介绍E.coli复制终点的特点
4）复制方向：实验证据：用放射自显影实验判断DNA的复制方向及速度低放射性3H-脱氧胸苷 高放射性3H-脱氧胸苷a. 单向b. 双向等速 三种结果图形c. 双向异速小结：原核生物的染色体和质粒、真核生物的细胞器DNA都是环状双链分子，它们都是单复制子，都在一个固定的起点开始复制，复制方向大多数是双向的，少数是单向复制。多数是对称复制，少数是不对称复制（一条链复制后才进行另一条链的复制）。真核生物的染色体DNA是线形双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子，每个复制子约有100-200Kbp。人体细胞平均每个染色体含有1000个复制子。病毒DNA多种多样，环状或线形，双链或单链，但都是单复制子。
3. 半不连续复制重点：DNA半不连续复制难点：半不连续复制（动画辅助理解） 3.Semi-discontinous replication图：DNA的半不连续复制1968年，发现冈崎片段。长度：细菌：1Kb-2Kb，相当于一个顺反子的大小；真核：100-200bp，约等于一个核小体DNA的长度。动画：DNA半不连续复制（英文）DNA半不连续复制的要点：以复制叉移动的方向为基准，一条模板链是3'→5'，以此为模板而进行的新生DNA链的合成沿5'→3'方向连续进行，这条链称为前导链(leading strand)。另一条模板链的方向为5‘→’3‘，以此为模板的DNA合成也是沿5’→3‘方向进行，但与复制叉前进的方向相反，而且是分段，不连续合成的，这条链称为滞后链(lagging strand)，合成的片段即为冈崎片段(Okazaki fragment)。这些冈崎片段以后由DNA连接酶连成完整的DNA链。这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制，称为DNA合成的半不连续复制。 flash:semi-discontinous replication板书：Semi-discontinous replicationleading strandlagging strandOkazaki fragment
4. DNA复制和细胞周期 DNA replication only occurs at a specific step in the cell cycle. The following table describes the cell cycle for a hypothetical cell with a 24 hr cycle.Stage Activity DurationG1 Growth and increase in cell size 10 hr S DNA synthesis 8 hr G2 Post-DNA synthesis 5 hr M Mitosis 1 hr
小结 本节要求:掌握半保留复制和半不连续复制的原理掌握复制子的性质
2009年7月5日
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